JP3736425B2 - 酸化物超電導多芯線材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも2つの酸化物超電導性芯部材を内在した電気導体を製造する方法に関するものである。芯部材はしばしばフィラメントとも呼ばれ、多芯超電導線材と呼ばれる。
【0002】
【従来の技術】
交流損失の少ないBi−2223系酸化物超電導線材を作製する手法として、特表平11−501765号公報等に見られるように、少なくとも一つの酸化物超電導体またはその前駆体がAgなどからなる内被金属で被覆された部材を準備し、その外周に電気絶縁性の酸化物材料、即ちバリア層とAgなどからなる被覆金属から構成されるビレットを用意し、そのビレットに縮径加工を施して加工物とした後、その複数を束ねて外被用金属パイプと勘合し、塑性加工と熱処理により横断面が円形で多芯構造の酸化物超電導部材を得る方法がある。このような組み込み手法により多芯型線材を作製する場合、組み込みは、加工物を断面円形の丸材のまま組み込む方法と、横断面が6角形状の加工物に成形して組み込む手法とがある。
【0003】
一方、酸化物超電導線材は超電導フィラメントの横断面が矩形形状である方が超電導の臨界電流密度が高くなる傾向があるので、仕上げの加工として、横断面が円形の多芯肩線材に圧延加工、撚り線成形加工などを施して超電導フィラメントを矩形変形させることが多い。Bi−2223線材の場合は、仕上げ加工まで実施した後に超電導化熱処理、断面積の減面率5〜30%の中間加工処理、最終熱処理などを行い超電導線材とすることが行われている。
【0004】
超電導組織が乱れる要因の一つは、超電導フィラメント部及びバリア形成部がもともと焼結体のような材料であり、被覆材である銀に比べると硬く、塑性加工性をほとんど有しないことがその理由であると類推される。銀は柔らかい材料であり、この問題を解決するためにAg−Mg−Ni、Ag−Mg、Ag−Mnなどの銀合金を超電導の被覆材に用いることがある。しかし、銀に添加する元素はBi−2223系超電導材と熱処理時に反応し、超電導特性を低下させるという問題がある。そこで、超電導材近傍の内被金属の部分を純銀にし、外被用金属の部分を銀合金にすることが多い。
【0005】
また、別の先行技術として特開平5−12940号公報等に見られるような方法がある。それは平行な複数の貫通孔を有する外被金属部材を用意し、前記貫通孔内に酸化物超電導粉末または酸化物超電導粉末の圧縮成形体を直接充填することで複合ビレットを作製し、縮径加工などの塑性加工を施し、銀で複合された多芯線材の加工材を作製する方法である。
【0006】
【発明が解決すべき課題】
特開平5−12940号公報に見られるような方法をそのまま実施しても、臨界電流密度Jcの低い線材しか得られない。通常、バリア層と超電導層の間には銀を介在させる必要があるので、第2の手法はバリア層が介在しない多芯線材にしか適用できない。また、このように超電導部材を銀に直接充填した部材を縮径加工する場合、超電導フィラメントの不均一変形が大きくなり、Bi系の酸化物超電導線材においては前者の多芯組み込み法の方が特性面で有利となっている。
【0007】
多芯組み込み手法を採用すると、何れのケースにおいても、縮径加工により超電導フィラメント部及びバリア層が凡そ6角形に変形する。6角形に変形するのは多芯組み込み時に空隙があるため、その空隙を埋めるように変形するからである。その横断面においては、6角変形したバリア層と超電導フィラメント部の角部の界面が形状的に不連続(曲線でなくなる)になるため、この部分は局所的に金属微細組織の乱れの発生要因になるなどの問題が発生する。更に、その後の仕上げ加工において超電導フィラメントを矩形変形させることが多い。その際に丸材の縮径加工にて6角に変形した角の箇所において、別の方向から変形が起こることになり、同様に超電導組織の乱れが発生する。
【0008】
このような超電導組織の乱れは、銀を使わないで全て硬い素材の銀合金にすることで改善されるが、その場合、超電導材と銀合金内の合金元素の一部が拡散反応を起こし、超電導材が劣化するという別の問題が発生する。
【0009】
本発明の目的は、超電導組織の乱れや、超電導材の劣化を抑止することのできる酸化物多芯超電導線材の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、焼結体を材料とする酸化物超電導線材を多芯構造とするために、内被金属で被覆された断面円形の超電導ビレットを断面が円形のまま縮径加工して丸型部材を得る工程と、その丸型部材の複数を、互いに軸の平行な複数の断面円形の孔を有する断面円形の外被金属部材の前記孔内に挿入して多芯ビレットを組上げる工程と、この多芯ビレットに縮径加工を施す工程を採用する。
【0011】
前記多芯ビレットの内部には空隙が殆どないので、超電導材部は、ほぼ相似変形で縮径し、6角変形を抑止できる。
【0012】
本発明によれば、また、多芯ビレットを組上げるに先立ち、前記丸型部材の外周にバリア層を付加する工程が付加される。
【0013】
また、本発明によれば、前記丸型部材を作製するにあたり、超電導層との内被金属が多層の同軸構造となるように配置した超電導ビレットが使用される。
【0014】
本発明によれば、内被金属が純銀か、酸化物超電導材と反応しない元素、例えばAuを含む銀合金で構成され、外被金属部材が高強度銀合金で構成される。さらに、内被金属と外被金属部材の間にバリア層を設けることで、外被金属部材中の元素と超電導材との拡散劣化を防止する。
【0015】
なお、酸化物超電導体は、Bi−Pb−Sr−Ca−Cu−Oを主成分とするBi−2223系超電導体もしくはその前駆体が主として適用されるが、他の酸化物超電導体であっても差し支えない。形態としては、粉末あるいは粉末を圧縮成形した部材及びこれら部材に熱処理を施した部材が適用される。
【0016】
縮径加工の手法としては、冷間あるいは熱間にて押出し、圧延、引きなどの塑性加工手法が採用される。
【0017】
外被金属部材は、AgやAuのベース材にAl、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、Nb、Ni、Mg、Mn、Pd、Rh、Sb、Ta、Ti、V、Zrの中の少なくとも1種の金属を添加した合金材料が選定される。これらの合金材料は内被金属部材に用いられるAgやAg−Au合金材に比べて降伏応力が高いので、線材の高強度化のために適用される。
【0018】
前記外被金属部材における孔は必ずしも中心に配置される必要はなく、多芯化のために必要な孔数を埋められる間隔で配置される。
【0019】
前記丸型部材の外周に形成されるバリヤ層は、酸素透過性を有することが必要である。そのためにAl、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、Mn、Mg、Nb、Ni、Pd、Rh、Sb、Ta、Ti、V、Zrの中の少なくとも1種を含む酸化物、混合物を被覆処理したものが適用される。
【0020】
多芯ビレットは所定のサイズまでは断面円形を維持したまま縮径加工が施されるが、作製する線材の最終形状がテープ形状であったり、丸線を撚り線したり、撚り線成形したりすることも可能である。この場合は、所定のサイズ以降の加工で圧延加工を施してテープ形状としたり、丸線を用いて撚り線成形加工を施したりして超電導フィラメントの形状が矩形変形するように加工される。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【0022】
[実施例1]
Bi−2223酸化物超電導体の組成としてBi1.8Pb0.34SR1.9Ca2.2Cu3.1Oy(以下、Bi−2223という)を選び、その前駆体粉末を用意すると共に、内被金属として外径25mm、内径23.5mm、長さ200mmの銀パイプを準備し、この銀パイプ内に前駆体粉末を充填して超電導ビレットを得た後、この超電導ビレットに押出及び伸線による縮径加工を施して外径6.4mmの丸型部材4を得た。
【0023】
次に、得られた丸型部材4を7本用意すると共に、外径25mm、長さ200mmのAg−Mg−Ni合金を素材とし、中心とピッチ径15mmの円周上に6ケ計7ケの内径6.5mmの孔6を有する外被金属部材5を準備し、外被金属部材5における孔6の中にそれぞれ前記丸型部材4を挿入し、図1に示すような多芯ビレット7を得た。
【0024】
次に、得られた多芯ビレット7に押出加工を施して外径10mmとし、その後、ダイスを用いた伸線による縮径加工を施し、外径1mm、長さ125mの銀被覆多芯構造の線材を得た。
【0025】
本実施例においては、出発外径25mmの多芯ビレット7の内部には空隙が殆どないので、外径1mmまで縮径加工を施しても内部構造も含めて相似変形し、超電導フィラメントの形状が6角変形することなく断面円形を維持したまま加工できた。
【0026】
得られた多芯の線材を用い、従来手法のBi−2223超電導線材を作製するように、仕上げ加工処理、超電導化熱処理、中間加工及び超電導化最終熱処理を施して超電導線材とした。仕上げ加工処理は伸線加工、圧延加工、撚り線成形加工などが施された。
【0027】
[実施例2]
実施例1の過程で得られた丸型部材4の外層に、バリア層3として厚さ10μmの酸化チタン層を蒸着により付加し、図2に示すような丸型部材4aとした以外は実施例1と同様に加工して外径1mmのバリア付丸型多芯構造の線材を得た。
【0028】
この場合も、縮径加工前の状態で殆ど空隙がないのでバリア層、超電導層ともに断面円形を維持したまま相似変形の縮径加工が可能であった。
【0029】
この実施例においては、バリア層3を形成しているが、このバリア層3は外被金属部材として適用されるAg−Mg−Ni合金の添加元素であるMg、NiとBi−2223材との間で超電導化熱処理時に発生する拡散反応による超電導特性の低下を防止することができる。
【0030】
[実施例3]
図3に示すような丸型部材4bを得るために、Bi−2223の前駆体粉末1を用意すると共に、外径25mm、内径23.5mm、長さ200mmの銀パイプ製の内被金属2a及び外径17.5mm、長さ200mmの銀棒製の内被金属2bを準備し、内被金属2aと2bの間に、前記Bi−2223前駆体粉末1を充填して同軸型の超電導ビレットを作製した後、この超電導ビレットに実施例1と同様の縮径加工を施し、外径6.4mmの同軸型の丸型部材4bを得た。以降、実施例1と同様に加工して外径1mmの同軸多芯構造の線材を得た。
【0031】
この場合も、組上げられた多芯ビレットの内部に空隙がないので、縮径加工後においても超電導層が断面円形を維持したまま相似変形の縮径加工が可能であった。
【0032】
[実施例4]
実施例3における同軸型の丸型部材4bの外周に、それぞれバリア層3として厚さ10μmの酸化チタン層を蒸着により付加し、図4に示すような断面構造の多層構造の丸型部材4cを用いた以外は実施例3と同様に加工してバリア付同軸多芯構造の線材を得た。
【0033】
この場合も、縮径加工前の状態で空隙がないので、バリア層、超電導層ともに丸型形状を維持したまま相似変形の縮径加工が可能であった。
【0034】
[実施例5]
丸型部材として図5に示すような多層型のもの4dを用いた以外は実施例1と同様に加工して外径1mmの多層多芯構造の線材を得た。
【0035】
多層型の丸型部材4dを得るため、準備した外径25mm、内径23.5mm、長さ200mmの銀パイプからなる内被金属2aと外径9.5mm、内径6.5mm、長さ200mmの銀パイプからなる内被金属2cを同心状に配置し、その内被金属2aと2cの間にBi−2223前駆体粉末1を充填して作製した超電導ビレット部材を加工した。
【0036】
この場合、組上げられた多芯ビレット内部に空隙がないので、縮径加工後においても超電導層が丸型形状を維持したまま相似変形の縮径加工が可能であった。
【0037】
[実施例6]
実施例5の過程において得られた多層型の丸型部材4dの外周に、それぞれにバリア層3として厚さ10μmの酸化チタン層を蒸着により付加し、図6に示すような断面構造の丸型部材4eを用いた以外は実施例1と同様に加工してバリア付多層型多芯構造の線材を得た。
【0038】
この場合も、縮径加工前の状態で空隙がないので、バリア層、超電導層ともに断面円形を維持したまま相似変形の縮径加工が可能であった。
【0039】
なお、本発明における酸化物超電導線材は、低交流損失線材として使用されたり、交流電力ケーブル用の線材などに応用される。
【0040】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、次のような効果がある。
▲1▼多芯組み込みの際に空隙がないような状態で複合ビレットを構成するため、ビレットの縮径加工に伴う超電導体フィラメントの不均一変形、乱れを抑制できる。
▲2▼銀に比べて硬い素材となる銀合金で超電導部、バリア層が覆われるので、超電導体フィラメント、及びバリア層の不均一変形、乱れを抑制できる。
▲3▼超電導体フィラメントの不均一変形、乱れを抑制できるので、超電導特性を向上できる。
▲4▼バリヤ層が介在するので、外被金属中の添加元素と酸化物超電導材との拡散反応による超電導フィラメント領域の汚染を防止し、特性のよい超電導線材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る酸化物超電導多芯線材の製造方法の実施形態における多芯超電導ビレット部材の概要を示す横断面図である。
【図2】本発明に係る製造方法の別の実施形態における丸型部材の概要を示す横断面図である
【図3】本発明に係る製造方法の別の実施形態における丸型部材の概要を示す横断面図である。
【図4】本発明に係る製造方法の別の実施形態における丸型部材の概要を示す横断面図である。
【図5】本発明に係る製造方法の別の実施形態における丸型部材の概要を示す横断面図である。
【図6】本発明に係る製造方法の別の実施形態における丸型部材の概要を示す横断面図である。
【符号の説明】
1 酸化物超電導体
2 内被金属
2a 内被金属
2b 内被金属丸棒
2c 内被金属
3 バリア層
4 丸型部材
4a 丸型部材
4b 丸型部材
4c 丸型部材
4d 丸型部材
4e 丸型部財
5 外被金属部材
6 孔
7 多芯ビレット
Claims (3)
- 少なくとも一つの酸化物超電導体又はその前駆体が銀又は酸化物超電導体と直接接触していても超電導特性を大きく損なわない銀合金からなる内被金属で被覆された断面円形の超電導ビレットを断面が円形のまま縮径加工して丸型部材を得る工程と、その丸型部材の複数を、互いに軸の平行な複数の断面円形の孔を有する断面円形の高強度銀合金からなる外被金属部材の前記孔内に挿入して多芯ビレットを組上げる工程と、この多芯ビレットに縮径加工を施す工程とを含むことを特徴とする酸化物超電導多芯線材の製造方法。
- 前記多芯ビレットを組上げるに先立ち、前記丸型部材の外周にバリア層を付加することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記丸型部材を作製するにあたり、超電導層と内被金属が多層の同軸構造となるように配置した超電導ビレットを用いることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の製造方法。
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